Релативистично право на добавяне на скорости: определение, особености и формула

Класическата механика, чиито закони са били формулирани от Нютон в края на 17-ти век, се счита за почти двеста години, за да бъде обяснителна и непогрешима. До деветнадесети век нейните принципи изглеждаха всемогъщи и съставляваха основата на физиката. Обаче за посочения период започват да се появяват нови факти, които не могат да бъдат притиснати в познатите рамки на известни закони. С течение на времето те получиха друго обяснение. Това се случи с появата на теорията на относителността и мистериозната наука за квантовата механика. В тези дисциплини всички рано възприети идеи за свойствата на времето и пространството бяха радикално преразгледани. По-специално релативистичният закон за прибавяне на скорости изтъкна красноречиво ограниченията на класическите догми.

Просто добавяне на скорости: когато е възможно?

Клаузите на Нютон във физиката все още се смятат за правилни и нейните закони се прилагат за решаване на много проблеми. Само трябва да се има предвид, че те действат в света, на който сме свикнали, където скоростите на различни обекти, като правило, не са значителни.

Представете си ситуацията, в която влакът идва от Москва. Скоростта на движение е 70 км / ч. И по това време в хода на движението от една кола до друга, пътникът пътува, изминавайки 2 метра в секунда. За да разберем скоростта на движението си по отношение на къщи и дървета, влаковете, които мигат през прозореца, тези скорости просто трябва да бъдат сгънати. Тъй като 2 m / s съответстват на 7.2 km / h, изискваната скорост ще бъде 77.2 km / h.

Светът на високите скорости

Друго нещо са фотоните и неутрините, те са предмет на съвсем различни правила. За тях действа релативистичният закон за добавяне на скорости и гореизложеният принцип се счита за абсолютно неприложим за тях. Защо?

Според специалната теория на относителността (STR), всеки обект не може да се движи по-бързо от светлината. В крайни случаи може да бъде приблизително сравнима с този параметър. Но ако за момент си представим, (въпреки че на практика това е невъзможно), че в предишния пример, пътнически влак и се придвижват по такъв начин, че скоростта им спрямо неподвижни предмети на земята, която преминава от състава, бе установено, че е почти два светлина. И това не трябва да бъде. Как изчисленията в този случай?

Релативистичният закон за добавяне на скорости, известни от курса на физиката на 11 клас, е представен по формулата, дадена по-долу.

Какво означава това?

Ако има две референтни рамки, скоростта на обект, по отношение на която V₁ и V₂, тогава за изчисленията е възможно да се използва това съотношение независимо от стойността на определени количества. В случай, че и двамата са много по-малки скоростта на светлината, знаменателят в дясната ръка е почти равно на 1. Това означава, че формулата на релативистката допълнение на закона за скорост се превръща в най-обикновени, т.е. V₂ = V₁ + V.

Трябва също така да се отбележи, че когато V₁ = С (т.е. скоростта на светлината), за всяка стойност от V, V₂ Тя не надвишава тази стойност, т.е. тя също се оказва, че е равна на C.

От областта на фантазията

C е фундаментална константа, нейната величина е 299 792 458 m / s. От времето на Айнщайн се вярва, че никой обект във Вселената не може да надмине движението на светлината във вакуум. Ето как можете да определите за кратко релативистичния закон за добавяне на скорости.

Авторите на научната фантастика обаче не искат да приемат това. Те са измислили и продължават да пишат много невероятни истории, чиито герои опровергават такива органични. В един миг, техните космически кораби се движат към далечни галактики, които са много хиляди светлинни години от Земята-възрастна жена, заличавайки помощта на всички от законите на Вселената.

Но защо Айнщайн и неговите последователи са сигурни, че на практика това не може да се случи? Трябва да поговорим защо ограничението на светлината е толкова неприкосновено, а релативистичният закон за добавяне на скорости е неприкосновен.

Връзка между причините и ефектите

Светлината е носител на информация. Това е отражение на реалността на Вселената. А светлинните сигнали, достигащи до наблюдателя, пресъздават в съзнанието си картини на реалността. Това се случва в свят, който е обичаен за нас, където всичко върви по свой начин и се подчинява на обичайните правила. И ние сме от раждането, свикнали с факта, че не може да бъде другояче. Но ако си представите, че всичко наоколо се е променило и някой е отишъл в космоса, пътувайки със скорост на супер светлина? Тъй като е пред светлите фотони, светът започва да го вижда като във филм, превърнат назад. Вместо това утре ще дойде за него вчера, а вчерашния ден и така нататък. И утре той никога няма да види, докато не спира, разбира се.

Между другото, такава идея също беше активно приета от автори на научна фантастика, създавайки аналог на машината на времето според тези принципи. Техните герои паднаха в миналото и пътуваха там. Въпреки това, отношенията причина-ефект се сринаха. И беше очевидно, че на практика това едва ли е възможно.

Други парадокси

Причината не може да изпревари разследването. Това противоречи на нормалната човешка логика, защото във Вселената трябва да има ред. Въпреки това, SRT приема други парадокси. Програмата се излъчва, че дори ако поведението на обектите е предмет на строга дефиниция на релативистката допълнение на закона за скорост, е точно равна на скоростта на движение на фотоните на светлината също така е невъзможно. Защо? Да, защото магическите трансформации започват да се извършват в пълния смисъл на думата. Масата се увеличава неограничено. Размерите на материалния обект в посоката на движение неогранично се доближават до нула. Отново, смущенията не могат да бъдат напълно избегнати с течение на времето. Въпреки че не се движи назад, но когато достигне скоростта на светлината, то напълно спира.

Затъмнение на Йо

SRT твърди, че светлинните фотони са най-бързите обекти във Вселената. В такъв случай как сте измервали скоростта им? Просто една човешка мисъл беше по-бърза. Тя успя да реши такава дилема, а последствията от нея бяха относителният закон за добавяне на скорости.

Подобни въпроси били решени още през времето на Нютон, особено през 1676 г. от датския астроном О. Ремер. Той осъзна, че скоростта на свръхскоростната светлина може да бъде определена само ако пътува на дълги разстояния. Такъв, както си мислеше, е възможно само в небето. И шансът да се превърне тази идея в реалност скоро се появи, когато Ремер наблюдаваше телескопното затъмнение на един от луните на Юпитер, наречен Йо. Времето между влизането в затъмнението и появата в зрителното поле на тази планета за първи път е около 42.5 часа. И този път всичко съответстваше на предварителните изчисления, направени според известния период на преобразуване на Ио.

Няколко месеца по-късно Ремер отново направи своя експеримент. През този период Земята се отдалечила далеч от Юпитер. И се оказа, че Йо е закъснял да покаже лицето си за 22 минути в сравнение с предположенията, направени по-рано. Какво означава това? Обяснението беше, че сателитът изобщо не остана, но светлинните сигнали от него отне известно време, за да преодолеят значително разстояние от Земята. След като изчислихме въз основа на тези данни, астрономът изчисли, че скоростта на светлината е много значима и е около 300 000 км / сек.

Fizeau Experience

Предвестник на релативистичния закон за добавяне на скорости - експериментът на Fizeau, произведен почти два века по-късно, правилно потвърди предположенията на Remer. Само един известен френски физик през 1849 г. е провел лабораторни експерименти. И за да ги реализира, беше изобретен и проектиран целият оптичен механизъм, чийто аналог може да се види на фигурата по-долу.

Светлината дойде от източника (беше първият етап). След това се отразява от плочата (етап 2), преминаващ между зъбите на въртящото се колело (етап 3). След това лъчите удариха огледалото, разположено на значително разстояние, измерено на стойност 8.6 километра (стадий 4). В заключение, светлината, отразена назад и преминаваща през зъбите на колелото (етап 5), пада в окото на наблюдателя и е фиксирана от него (етап 6).

Колелото се завърташе с различни скорости. При бавно движение светлината се виждаше. С увеличаването на скоростта лъчите започнаха да изчезват, без да достигат до зрителя. Причината е, че отнема известно време, за да се преместят гредите, но за определен период зъбите на колелото леко се движеха. Когато скоростта на въртене се издига отново, светлината отново достига до окото на наблюдателя, защото сега зъбите, движещи се по-бързо отново допускат лъчите да проникват през пролуките.

Принципи на SRT

Релативистичната теория за първи път бе въведена в света от Айнщайн през 1905 г. Фокусът на тази работа е описание на събитията, които се провеждат в различни референтни системи, поведението на магнитни и електромагнитни полета, частици и обекти по време на тяхното движение, най-сравнима с скоростта на светлината. Великият физик описва свойствата на пространството и времето, а също така разглежда поведението на другите опции, размерът на физическите тела и техните маси при тези условия. Сред основните принципи на Айнщайн нарича равенство на всички инерционни еталонни системи, тоест, той имаше предвид сходството на процесите, които протичат в тях. Друг постулат на релативистичната механика е законът за добавяне на скорости в нов некласически вариант.

Пространството, според тази теория, изглежда като празно място, където всичко останало функционира. Времето се определя като един вид хронология на протичащите процеси и събития. За пръв път се нарича и четвъртото измерение на самото пространство, сега наречено "пространство-време".

Трансформациите в Лоренц

Потвърдете релативистичния закон за добавяне на скоростите на трансформация на Лоренц. Така че е обичайно да се обаждат математически формули, които в окончателния вариант са представени по-долу.

Тези математически отношения заемат централно място в теорията на относителността и служат за преобразуване на координатите и времето, които са написани за четириместно пространство-време. Горните формули бяха дадени от предложението на Анри Пойнкере, който, докато разработи математически апарат за теорията на относителността, заигра някои идеи от Лоренц.

Такива формули доказват не само невъзможността за преодоляване на свръхзвуковата бариера, но и неприкосновеността на принципа на каузалността. Според тях е възможно да се оправдае математически забавянето на времето, съкращаването на дължината на обектите и други чудеса, които се случват в свят със свръхвисоки скорости.